Bioenergie: Produzione e trasformazione. Dott. Pietro Goglio (PhD, MD, BAgrSc)

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1 Bioenergie: Produzione e trasformazione Dott. Pietro Goglio (PhD, MD, BAgrSc) 1

2 Sistema energetico italiano Rinnovabili 28% Carbone 37% Petrolio 20% Gas naturale 15% Altro 0% Lignite 0% (Ministero dello sviluppo economico 2011) 2

3 Sistema energetico italiano Biomasse per elettricità 19% Legna 3% Biodiesel 11% Rifiuti 12% Energia Idraulica 8% Energia Geotermica 10% Eolico+ fotovoltaico 37% Rinnovabili 28% Petrolio 20% Gas naturale 15% Carbone 37% Altro 0% Lignite 0% (Ministero dello sviluppo economico 2011) 3

4 Biomassa: Alghe Colture dedicate Residui e rifiuti Residui agricoli Residui agroalimentari Residui forestali Potature centri urbani RSU 4

5 Le colture dedicate: 1. Biomasse lignocellulosiche: Short rotation forestry: Pioppo (Populus ssp), Eucalipto (Eucalyptus ssp), Salice (Salix sp) Colture erbacee poliennali: Cardo (Cynara cardunculus L.), Arundo donax L., Miscanthus x giganteus (L.) Greef et Deuter Colture erbacee annuali: Sorgo da fibra (Sorghum bicolor (L.) Moench), Panicum ssp 5

6 Le colture dedicate: 1. Colture oleaginose: Girasole (Helainthus annus L.), Colza (Brassica napus L.), Soia (Glycine max (L.) Merr.) Palma da olio (Eleaeis guineensis Jacq.), Jatropha (Jatropha curcas L.) 6

7 Le colture dedicate: 3. Colture da carboidrati: Canna da Zucchero Saccharum officinarum L., Sorgo zuccherino (Sorghum bicolor (L.) Moench), Topinambur (Helianthus tuberosus L.), Barbabietola da Zucchero (Beta vulgaris L.) Mais (Zea mays L.) 7

8 Caratteristiche produttive delle colture dedicate Elevata produttività Resistenza agli stress idrici Buona rusticità Limitate esigenze in termini colturali (fertilizzanti, lavorazioni) Adattamento a terreni marginali 8

9 Input colturali: Ei E out S: Girasole M: Mais WwS: Frumento in rotazione con Girasole WwM: Frumento in rotazione con Mais E out > E i (Goglio et al. 2012) 9

10 Aspetti ambientali: Ciclo del Carbonio 10

11 Aspetti ambientali: Ciclo del Carbonio S: Girasole M: Mais WwS: Frumento in rotazione con Girasole WwM: Frumento in rotazione con 11 Mais (Goglio et al. 2012)

12 3 generazioni di biocarburanti 12 (Singh et al. 2011)

13 Ciclo di Produzione e utilizzazione delle biomasse CO 2, H 2 O Fertilizzanti Combustione TERMOCHIMICI Produzioni agricole, foreste, culture energetiche Rifiuti e residui Gasificazione BIOLOGICI UTILIZZATORI Digestione fermentazione Bio-combustibili Settore commerciale Settore residenziale Industrie Trasporti 13 (Tognotti 2008)

14 Utilizzazione delle biomasse 14 (Tognotti 2008)

15 Utilizzazione delle biomasse: problematiche combustione Proprietà metano idrogeno etanolo olio vegetale biodiesel olio di pirolisi benzina Densità (kg/m 3 ) PCI (MJ/kg) Densità energetica (MJ/m 3 ) Proprietà cippato di legno pellets di legno segatura Paglia triturata Balle di paglia Pellets di paglia Densità (kg/m 3 ) PCI (MJ/kg) Densità energetica (MJ/m 3 ) (Tognotti 2008)

16 Aspetti logistici (Goglio and Owende ; Casarosa 2008)

17 Utilizzazione delle biomasse: problematiche processi termici e termochimici 17 (Tognotti 2008; Casarosa 2008)

18 Processi termici: CHP 18 (Casarosa 2008)

19 Processi termici: IGCC 19 (Casarosa 2008)

20 Processi termici: Il motore di Stirling Alpha Beta 20

21 Gassificazione CLEANING SYNGAS CO, CO2, H2, N2 TAR, DUST Conversione termica di un combustibile solido in un combustibile gassoso Alimentazione limitata di ossigeno, aria e acqua come agente ossidante Prodotti del processo di gasificazione: CO, CO 2, H 2, CH 4, H 2 O, N 2, ash, tars Miscela combustibile ideale per la cogeneraione di energia termica ed elettrica UPGRADING SHIFT REACTIONS FISHER TROPSCH H2 LIQUID FUEL 21 (Tognotti 2008)

22 Pirolisi Produzione di bio-oli da pirolisi di biomasse: riscaldamento in assenza di aria o con ridotte quantità di ossigeno (processo autotermico) e produzione di una miscela ricca di idrocarburi pesanti dalla consistenza oleosa e di un residuo carbonioso Bio olio ideale per il trasporto e successiva raffinazione (processi di raffinazione olio grezzo): impiego per produzione di potenza e/o teleriscaldamento in motori diesel IC 22 (Tognotti 2008)

23 Problematiche processi termici e termochimici 23 (Tognotti 2008; Casarosa 2008)

24 Utilizzazione delle biomasse 24 (Tognotti 2008)

25 Utilizzazione delle biomasse: biogas S o s ta n z a o r g a n ic a C a rb o id ra t i P ro t e in e L ip id i % B A T T E R I ID R O L IT IC I E F E R M E N T A T IV I 7 5 % 2 0 % A c id i g ra s s i A lc o li e t c. 5 % A C E T A T O 5 2 % B a t t e ri a c e t o g e n ic i B a t t e ri o m o a c e t o g e n ic i 2 3 % H 2 + C O 2 B a t t e ri m e t a n ig e n i a c e t o c la s t ic i B a t t e ri m e t a n ig e n i id ro g e n o t ro fi 7 2 % 2 8 % C H 4 + C O 2 C H 4 + H 2 O 25 (Piccinini 2008)

26 Utilizzazione delle biomasse: biogas 26 (Piccinini 2008)

27 Utilizzazione delle biomasse: bioetanolo I generazione lievito granella Macinazione liquefazione Fermentazione acqua Separazione L/S Distillazione etanolo residuo 27 (Nicolella 2008)

28 Utilizzazione delle biomasse: bioetanolo di II generazione Biomasse lignocellulosiche microrganismi acido enzima selezionati Macinazione Idrolisi emicellulosa Idrolisi cellulosa Fermentazione acqua Separazione L/S Distillazione etanolo lignina 28 (Nicolella 2008)

29 Utilizzazione delle biomasse 29 (Tognotti 2008)

30 Utilizzazione delle biomasse: olio vegetale e biodiesel (catalizzatore) trigliceride metanolo metilesteri glicerolo olio raffinato (100) metanolo NaOH (21.6) (1) Transesterificazione T = C τ = 1 3 h η = 95 % metilestere (95.4) olio (5) metanolo (11.3) glicerolo (9.8) NaOH (1) 30 (Nicolella 2008)

31 Utilizzazione delle biomasse: bioraffineria oleaginose Pretrattamento Piattaforma biochimica cellulosa biomassa lignocellulosica acqua Pretrattamento Separazione Idrolisi (acida enzimatica) Piattaforma termochimica olii cellulosa Fermentazione (m)etanolo residui (lignin) Estrazione Trans esterificazione Separazione residui (glicerina) olii residui biodiesel residui vapore, O 2 Pretrattamento Gasificazione Conversione TAR ceneri Piattaforma termochimica lignina etanolo Distillazione acqua acque reflue Pulizia syngas syngas 31 (Nicolella 2008)

32 Modello energetico Vecchio 32

33 Modello energetico Nuovo 33

34 Modello energetico Nuovo Produzione netta - Domanda 34 (Terna 2008b)

35 Conclusioni: Sviluppo di un territorio Paesi industrializzati e non industializzati Sicurezza energetica Sostenibilità 35

36 Grazie per l attenzione 36

37 Bibliografia: Casarosa, C Conversione di Energia da Biomassa. Seminario presso Scuola Superiore Sant Anna, Pisa, Italy. Goglio, P., Bonari, E., Mazzoncini, M., LCA of cropping systems with different external input levels for energetic purposes. Biomass Bioenergy 42, Goglio, P., Owende, P.M.O., A screening LCA of short rotation coppice willow (Salix sp.) feedstock production system for small-scale electricity generation. Biosyst. Eng. 103, Ministero dello Sviluppo Economico, Bilancio energetico nazionale. Dipartimento per l Energia, Direzione generale per la sicurezza dell approvigiamento e le infrastrutture energetiche, DIV VII Statistiche ed Analisi Energetiche e Minerarie, Ministero dello Sviluppo Economico, Rome, Italy. Nicolella, C Filiere tecnologiche per la produzione di biocarburanti. Seminario presso Scuola Superiore Sant Anna, Pisa, Italy Piccinini, S Biogas: situazione e prospettive. Seminario presso la Scuola Superiore Sant Anna, Pisa, Italy. Singh, A., Olsen, S.I., Nigam, P.S., A viable technology to generate thirdgeneration biofuel. J. Chem. Technol. Biotechnol. 86, Terna, 2012a. Dati Statistici, Dati generali. Terna, Rome, Italy, 13pp. Terna, 2012b. Dati Statistici, Carichi. Terna, Rome, Italy, 13 pp. Tognotti, L Filiere tecnologiche per la produzione di energia da biomasse: 37 Filiere Calde. Seminario presso la Scuola Superiore Sant Anna, Pisa, Italy.